【引言】

結(jié)構(gòu)材料通常可以通過引入高密度的內(nèi)部界面（晶界和巒晶界等）實現(xiàn)增強，但是界面的引入也會帶來一些非預(yù)期的性質(zhì)。例如，與具有微米級晶粒（200 MPa）的樣品相比，均勻的納米晶體銅表現(xiàn)出高于650 MPa的高強度，但代價是拉伸延展性降低。因此，在高應(yīng)力水平下增加材料的應(yīng)變硬化能力是一個嚴峻挑戰(zhàn)。開發(fā)具有界面密度梯度的材料是一種成功的設(shè)計策略，受自然的啟發(fā)，人工梯度納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)在摩擦學(xué)、生物力學(xué)、斷裂力學(xué)和納米技術(shù)等學(xué)科中引起廣泛的研究興趣，而且通過這些結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了顯著的性能提升。目前，具有界面密度梯度的材料可以通過表面機械磨損、表面機械研磨和熱機械方法等加工策略進行制備。在上述這些方法中，硬車削是一種成熟的方法，可以應(yīng)用于軸承鋼以獲得高于45洛氏硬度的表面硬度。通過該方法，可以容易地調(diào)整諸如轉(zhuǎn)速和溫度等加工參數(shù)以獲得期望的界面和子結(jié)構(gòu)梯度。

【成果簡介】

近日，美國橡樹嶺國家實驗室郭煒博士后與貝紅斌研究員合作，利用硬車削方法使NiCrCo中等熵合金（MEA）獲得微觀結(jié)構(gòu)界面梯度，其中NiCrCo在更廣泛的過渡金屬元素組成的系列中表現(xiàn)出最佳的低溫強度和斷裂韌性的組合。研究表明，在材料進行低溫硬車削之后，可以觀察到納米層狀梯度結(jié)構(gòu)，其是由在納米級晶粒內(nèi)部的密集的納米層和hcp薄片組成。而且，77K硬車削后的結(jié)構(gòu)梯度合金在2%初始應(yīng)變下表現(xiàn)出高屈服應(yīng)力（1.4GPa）和高應(yīng)變硬化率（13.3）。該成果以題為“ Shape-preserving machining produces gradient nanolaminate medium entropy alloys with high strain hardening capability ”發(fā)表在國際著名期刊Acta Materialia上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 77K硬車削加工結(jié)構(gòu)梯度MEA的加工程序和微觀結(jié)構(gòu)

（a） 合金加工程序示意圖；（b） 橫截面明場TEM圖像揭示了變形表面區(qū)域的梯度結(jié)構(gòu)；（c） 低溫硬車削后的梯度納米結(jié)構(gòu)的示意圖；（d） 顯示納米晶粒結(jié)構(gòu)的明場TEM圖像；（e） 材料最頂部50 μm表面層的晶粒尺寸分布；（f） 顯示后續(xù)層中較粗糙晶粒結(jié)構(gòu)的明場TEM圖像；（g, h） 沿[110] fcc區(qū)軸單個納米晶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)層次的高分辨率濾波STEM圖像；（i） 在單個納米顆粒內(nèi)沿著[110] fcc區(qū)軸的納米疊層的原子堆積示意圖。

圖2 室溫硬車削MEA的梯度微觀結(jié)構(gòu)

（a） 顯示變形表面梯度結(jié)構(gòu)的橫截面明場TEM圖像；（b） 納米晶粒層的明場TEM圖像；（c） 材料最頂部50 μm表面層中的晶粒尺寸分布；（d） 顯示單個顆粒內(nèi)高密度納米孿晶的STEM圖像；（e, f） 納米孿晶的明場TEM圖像；（g） 顯示納米晶層中納米層疊堆結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖3 低溫硬車削后MEA樣品納米晶表面的APT分析

（a） Ni、Cr和Co原子的APT元素圖；（b） 構(gòu)成元素的頻率分布分析；（c） 顯示納米孿晶結(jié)構(gòu)的3 nm切片的APT體積；（d） （c）中目標(biāo)區(qū)域的一維濃度分析。

圖4 NiCrCo MEA納米疊層在納米壓痕試驗中的典型載荷-位移曲線

圖5 不同加工條件下MEA的微柱壓縮和往復(fù)滑動磨損試驗

（a-c） 微壓縮試驗后微柱的表面形態(tài)（黃色箭頭標(biāo)記滑動痕跡）；（d） 微柱壓縮的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（e） 應(yīng)變硬化率與塑性應(yīng)變的關(guān)系圖；（f） 在300 K和70 K下進行平坦的往復(fù)滑動磨損試驗后MEA表面的磨損深度。

圖6 硬車削MEA的納米孿晶的厚度和間隔比較

（a） 不同溫度下硬車削MEA的納米孿晶的厚度比較；（b） 不同溫度下硬車削MEA的納米孿晶的間隔比較。

圖7 殘余真實應(yīng)力與塑性應(yīng)變和應(yīng)變硬化率的關(guān)系

（a） 殘余真實應(yīng)力與塑性應(yīng)變的關(guān)系曲線；（b） 應(yīng)變硬化率與殘余真實應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系。

圖8 NiCrCo梯度納米疊層的高分辨率透射電子顯微照片

圖9 通過DFT和ANNNI模擬計算的納米結(jié)構(gòu)的相對熱力學(xué)穩(wěn)定性

【小結(jié)】

本文中，作者在室溫和低溫下通過硬車削方法加工NiCoCr MEA，并結(jié)合APT、TEM探測和納米力學(xué)實驗結(jié)果，揭示了在合金表面形成的原子級分層結(jié)構(gòu)的納米疊層梯度。研究發(fā)現(xiàn)，分層結(jié)構(gòu)可以通過剪切應(yīng)變速率和熱條件來控制，這些參數(shù)可以通過調(diào)整加工參數(shù)（例如轉(zhuǎn)速和溫度）直接控制。這種納米級表面層次結(jié)合了剛性hcp區(qū)域、柔性fcc基質(zhì)和高密度內(nèi)部界面的優(yōu)點，從而導(dǎo)致高屈服應(yīng)力和變形期間的高應(yīng)變硬化。鑒于這些優(yōu)異的性能，這種簡單有效的加工技術(shù)具有廣泛的潛力，有望用于合金的高通量納米結(jié)構(gòu)設(shè)計以及大規(guī)模制造。

文獻鏈接：Shape-preserving machining produces gradient nanolaminate medium entropy alloys with high strain hardening capability （Acta Mater. 2019, DOI: 10.1016/j.actamat.2019.03.024）

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責(zé)任編輯：殷鵬飛